(57)【要約】  本発明の目的は、単一のテクスチャ構造で光トラップ効果とモスアイ効果の両方とも得ることが可能な光センサを提供することである。そのために本発明の半導体光センサは、厚さが光浸透長よりも十分に薄い屈折率nの光吸収媒質を有し、観測目的中心波長がλである光センサであって、(λ/n)<d<λである典型的構造スケールdおよび面方向がランダムなテクスチャ構造を光入射面に有し、前記光入射面の反対側の面に光反射体を備えることを特徴とする。
2018061898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さが光浸透長よりも十分に薄い屈折率nの光吸収媒質を有し、観測目的中心波長がλである光センサであって、(λ/n)<d<λである典型的構造スケールdおよび面方向がランダムなテクスチャ構造を光入射面に有し、前記光入射面の反対側の面に光反射体を備えることを特徴とする光センサ。
【請求項２】
厚さが光浸透長よりも十分に薄い屈折率nの光吸収媒質を有し、観測目的中心波長がλである光センサであって、(λ/n)<d<λである典型的構造スケールdおよび面方向がランダムなテクスチャ構造を、光入射面とその反対側の面に有することを特徴とする光センサ。
【請求項３】
前記反対側の面に光反射体を備える請求項２に記載の光センサ。
【請求項４】
前記光吸収媒質の側面に光反射体を備える請求項２または３に記載の光センサ。
【請求項５】
前記光吸収媒質は基板上に形成され、前記反対側の面のテクスチャ構造は前記光吸収媒質近傍の前記基板に形成されている請求項２から４のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項６】
前記観測目的中心波長λと前記典型的構造スケールdがλ=(n+1)d/2であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項７】
前記光吸収媒質の光入射面側とその反対面側にそれぞれ電極を設けた請求項１から６のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項８】
前記光吸収媒質に半導体量子ドットを含む請求項１から７のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項９】
基板上に厚さが光浸透長よりも十分に薄い屈折率nの光吸収媒質を形成し、前記光吸収媒質上に基板面方向がランダムな開口パターンを形成することで、前記光吸収媒質に典型的構造スケールdが(λ/n)<d<λである第１のテクスチャ構造を形成することを特徴とする光センサの形成方法。
【請求項１０】
前記第１のテクスチャ構造を形成した後、前記第１のテクスチャ構造のある側と反対側から前記基板を除去して前記光吸収媒質の裏面を露出させ、前記裏面に基板面方向がランダムな開口パターンを形成して第２のテクスチャ構造を形成する請求項９に記載の光センサの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光センサ、特に光を受光することにより被対象物に関する情報を獲得することを目的とする光センサとその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換素子は多目的に利用されている。重要な例としては、太陽光から有用なエネルギーを収穫することを目的とする太陽電池や、IoT（モノのインターネット化）に用いられるセンシングデバイスのように観測光から被対象物に関する有用な情報を獲得することを目的とする光センサがあげられる。【０００３】
これらの光電変換素子の重要な性能仕様として光電変換効率があげられる。例えば太陽電池の場合太陽光のスペクトル強度が高い紫外から近赤外に渡る波長領域における全ての光エネルギーを可能な限り大きな電気エネルギーに変換することが要請される。光センサの場合も同様であるが、目的が情報の獲得にあるため、特定の波長領域の光を対象にすることや、光が照射されない場合の電気出力である暗雑音成分からの差分で決まる光信号対雑音比を大きくすることが要請されるところがやや事情が異なる。【０００４】
太陽電池の場合光吸収媒体として安価なシリコンが用いられる。光センサの場合、対象とする光波長に応じた光吸収媒体が用いられ、III-Ｖ族あるいはII-ＶＩの化合物半導体が用いられる例が多い。これらの光吸収媒体の光吸収確率は物質の光吸収係数αによって決まり、厚さLの一様媒体では
1-exp-αL＝1-exp-L/LOP
で与えられる。従って、媒質の厚さLを大きくすればいくらでも１に近づけることが出来る。ここでLop=α-1は媒質の浸透厚、L/Lopは光学的厚さと呼ばれる。L/Lop>1(L/Lop<1)である媒質は光学的に厚い（薄い）と呼ばれる。【０００５】
しかしながら、現実の光デバイスでは厚さLを無制限に大きく出来ない。例えば太陽電池の場合はLが大きく純度の高いシリコン結晶を作る製造コストが問題となるため、できる限り薄いシリコン結晶で光吸収確率を大きくする事が求められる。光センサでは厚みLにほぼ比例して暗雑音成分が増え、かつLに逆比例して光電流の取り出し効率が減少するため、厚膜化することによってかえって性能が劣化する場合が見受けられる。【０００６】
このような事情により、光電変換デバイスは厚膜吸収層デバイスの開発から始まり、後に吸収層の薄膜化が追求されていく例が多い。太陽電池の場合製造コストの削減が吸収媒質であるシリコン結晶の薄膜化の大きなモティベーションとなっており、光センサの場合は信号対雑音比や時間応答性の向上などが薄膜半導体光センサ開発のモティベーションとなっている。【０００７】
しかしながら吸収媒質の薄膜化は光吸収効率の減少に直結すると言う問題があった。これに対抗するため種々の技術が開発されてきた。【０００８】
例えばシリコンのバンドギャップである１μｍよりも長い波長領域において、シリコンは光学的に非常に薄くなりうる。そこで薄膜型太陽電池における長波長域の光吸収効率劣化の問題を解決する技術として、非特許文献１および非特許文献２にシリコン表面や裏面のテクスチャ化技術が記載されている。この技術のポイントは高屈折率を有する半導体界面による光の内部反射方向をランダム化することにより光が媒質内部界面で全反射される確率を高め、半導体内部に光がトラップされる確率を高めることにある。光トラップが有効に起こると光が吸収媒質を多重パスする確率が増えるため光吸収確率が向上する。また特許文献４にはテクスチャ構造によって光の反射を抑制する光電変換素子（太陽電池）が記載されている。これは結晶シリコンの受光面側に設けたテクスチャ構造を構成する突起部の底辺の長さLを700nm≦L≦2μmとし、突起部の高さhを{1.41×(L/2)}<h<{4.23×(L/2)}にするものである。このようにLとhを設定することで長波長帯から短波長帯に至る波長帯の反射が抑制された光電変換素子を得ることができるとしている。【０００９】
また、テクスチャ化に類似するが異なる技術として、非特許文献３にはモスアイ効果による光入射表面の短波長域光反射防止が試みられている。この技術のポイントは表面に入射光波長よりもピッチの細かいテクスチャ構造を設けることにより、界面に屈折率が徐々に変化するグレーデッドインデックス界面としての機能を持たせ、インデックスマッチング効果により光反射を防止することにある。【００１０】
これら光トラップ効果によるマルチパス吸収増強とモスアイ効果による入射面光反射防止を両立させることができるならば、より光電変換性能の高い太陽電池が実現出来ると一見思われる。しかし後述するように、これらの効果を実現するテクスチャ面の構造スケールは大きく異なるため、単一のテクスチャ構造によって広い波長領域に渡る太陽電池への入射光の吸収を増強することは難しいという問題があった。【００１１】
また非特許文献４や特許文献１には、複雑な２重の階層的ハイブリッドテクスチャ構造を表面に形成することにより、光トラップとモスアイ効果を同時に享受し、光吸収増強によって近赤外から紫外域に渡る広い波長領域の光について高い光電変換効率を持つシリコン太陽電池を実現する技術が開示されている。非特許文献４では、シリコン表面にピラミッド状の凹凸を設け、その凹凸の表面にさらにZnOのナノワイヤを形成している。また特許文献１では、テクスチャ構造の第１の透明導電層の上にモスアイ構造の第２の透明導電層を形成した太陽電池が開示されている。【００１２】
一方光センサにおいては、非特許文献５、非特許文献６、特許文献２および特許文献３に開示されているように、モスアイ効果を期待した入射面テクスチャ化の例がある。非特許文献５はSi表面に円錐台状のモスアイ構造を設けている。非特許文献６ではピラミッド形状のInAsSb吸収体をGaSb基板上に形成している。特許文献２には、高さの異なる複数種類の突起部を形成した反射防止構造を光入射面側に設けた固体撮像装置が記載されている。特許文献３では、固体撮像装置の光入射面に、入射光の反射を抑制するために半導体基板の光入射面に微細な凹凸構造（モスアイ構造）が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開2013-179217号公報  （太陽電池およびその製造方法）
【特許文献２】特開2015-18906号公報  （撮像素子、製造装置、製造方法、電子機器）
【特許文献３】特開2015-220313号公報  （固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器）
【特許文献４】特開2016-009846  （光電変換素子および光電変換システム）
【特許文献５】特開2005-347402号公報
【特許文献６】特開平11-251611号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Eli Yablonovitch, "Statistical ray optics," J. Opt. Soc. Am. Vol. 72, No. 7, July 1982, pp. 899-907.
【非特許文献２】Eli Yablonovitch and George D. Cody, "Intensity Enhancement in Textured Optical Sheets for Solar Cells," IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. ED-29, NO. 2, FEBRUARY 1982, pp. 300-305.
【非特許文献３】S.J. Wilson & M.C. Hutley, "The Optical Properties of 'Moth Eye' Antireflection Surfaces," OPTICA ACTA, VOL. 29, NO. 7, 1982, pp. 993-1009.
【非特許文献４】Yan Liu, Arnab Das, Sheng Xu, Ziyin Lin, Chen Xu, Zhong Lin Wang, Ajeet Rohatgi, and Ching Ping Wong, "Hybridizing ZnO Nanowires with Micropyramid Silicon Wafers as Superhydrophobic High-Efficiency Solar Cells," Adv. Energy Mater. 2, 2012, pp. 47-51.
【非特許文献５】Federico Lora Gonzalez and Michael J. Gordon, "Enhancing near-infrared light absorption in PtSi thin films for Schottky barrier IR detectors using moth-eye surface structures," OPTICS LETTERS, Vol. 40, No. 7, April 1, 2015, pp. 1512-1515.
【非特許文献６】D'Souza,A. I., A. C. Ionescu, M. Salcido, E. Robinson, L. C. Dawson, D. L. Okerlund, T. J. de Lyon, R. D. Rajavel, H. Sharifi, D. Yap, M. L. Beliciu, S. Mehta, W. Dai, G. Chen, N. Dhar and P. Wijewarnasuriya. "InAsSb detectors for visible to MWIR highoperating temperature applications", In Infrared Technology and Applications XXXVII, edited by Bjorn F. Andresen; Gabor F. Fulop; Paul R. Norton, Orlando, Florida, USA, April 25, 2011. 80122S. (SPIE Proceedings; vol. 8012).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
構造制御により光吸収波長を柔軟に制御出来ることや、光吸収媒質のボリュームを極小化することにより暗雑音の抑制や応答性能の向上可能性があることから、近年量子井戸や量子ドットを光吸収媒質とする光センサの開発気運が高まっている。これらの新しい光センサは、製造上の制約もあり専ら光学的に極めて薄い薄膜吸収層が用いられる。薄膜化は暗雑音の抑制やゲインの向上には有効であるが、光吸収の観点からは不利である。このため量子井戸や量子ドット光センサの利点を活かしきれないという課題があった。【００１６】
これら薄膜半導体光センサにおいては、既存の厚膜光吸収層を用いる光センサ技術では必要の無い光トラップ効果によるマルチパス光吸収を期待した入射面や反射面のテクスチャ化が有用となりうるが、検討例も製品化した例もなかった。【００１７】
さらに、光トラップ効果によるマルチパス吸収増強とモスアイ効果による入射面光反射防止を両立させることにより、より光電変換性能の高い光センサを実現することも考え得る。しかし現状ではそのためにはより複雑な構造を持つテクスチャ構造を表面に形成する必要があり、製造の難しさなどの生産性の問題や、電極コンタクト性の問題など信頼性に関わる諸問題を避けることは難しかった。【００１８】
本発明の目的は、光センサの持つ上述の課題を解決し、簡素なテクスチャ構造を用いて高い光電変換効率を得ることが可能な光センサとその形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の半導体光センサは、厚さが光浸透長よりも十分に薄い屈折率nの光吸収媒質を有し、観測目的中心波長がλである光センサであって、(λ/n)<d<λである典型的構造スケールdおよび面方向がランダムなテクスチャ構造を光入射面に有し、前記光入射面の反対側の面に光反射体を備えることを特徴とする。【００２０】
また本発明の光センサは、厚さが光浸透長よりも十分に薄い屈折率nの光吸収媒質を有し、観測目的中心波長がλである光センサであって、(λ/n)<d<λである典型的構造スケールdおよび面方向がランダムなテクスチャ構造を、光入射面とその反対側の面に有することを特徴とする。【００２１】
また本発明の光センサの形成方法は、基板上に厚さが光浸透長よりも十分に薄い屈折率nの光吸収媒質を形成し、前記光吸収媒質上に基板面方向がランダムな開口パターンを形成することで、前記光吸収媒質に典型的構造スケールdが(λ/n)<d<λである第１のテクスチャ構造を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、簡素なテクスチャ構造で高い光電変換効率を得ることが可能な光センサとその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態の薄膜半導体光センサを模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の原理を説明するための第一の模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の原理を説明するための第二の模式図。
【図４】本発明の第１の実施形態の薄膜半導体光センサの製造方法を示す工程図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の薄膜半導体光センサの製造工程におけるエッチング方法を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の薄膜半導体光センサを模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
［構造の説明］
図１は本発明の第１の実施形態の光センサを模式的に示す断面図である。本実施形態の光センサ１は、図１に示されるように基板２上に積層され、目的中心波長λの光を吸収する屈折率nの光吸収媒質３を備えている。光吸収媒質３の厚さは光浸透長（吸収係数の逆数）よりも十分に薄い。基板２および光吸収媒質３は適切にドーピングが施され、基板２下部に設けられた下部電極８および光吸収媒質３上部に設けられた上部電極７に適切なバイアスを与えることによって、光吸収によって生成されたフォトキャリアを引き抜くことが出来る。基板２がGaAsの場合、例えばSiを1〜3×1018cm-3程度ドープし、ｎ型半導体基板とする。また、光吸収媒質３は通常意図的にはドーピングしない。また上部電極７と下部電極８の間に印加するバイアス電圧は、デバイス構造にもよるが、一般的には数Ｖ程度である。
【００２５】
中心波長λの入射光９が入射される光吸収媒質３の面には、その典型的構造スケールがdである光入射面テクスチャ構造４が構築され、その逆面には同様に典型的構造スケールdの裏面テクスチャ構造５が構築されている。裏面テクスチャ構造５の下部には、必要に応じて金属等によって形成した光反射体６が配置される。
【００２６】
ここで光入射面テクスチャ構造４および裏面テクスチャ構造５は凹凸を持つ構造である。個々の面における光透過および反射は局所的にはその面方向に依存しスネルの法則に従う。しかしその個々の面の方位はランダムであるため、広い面積で大局的に見れば光入射面テクスチャ構造４および裏面テクスチャ構造５は光の反射が半球面上に等方的に起こる光散乱面として機能する。典型的構造スケールdは凹凸構造の持つ平均的ピッチ（周期）であり、テクスチャ構造の個々の面における光反射が面方位に依存する必要から、d＞(λ/n)が要請される。d＞(λ/n)を満足しているかどうかを検証するには、各種表面粗さ測定器で任意のサンプル領域のdを評価すればよい。なお光入射面テクスチャ構造４および裏面テクスチャ構造５の高さは波長λ程度とした。
【００２７】
また光反射体６は次のような目的で設ける。テクスチャ構造を形成すると、光吸収媒質３の界面で光を全反射させることにより、光吸収媒質３の内部を光が多重往復する。しかしテクスチャ構造で全反射されず透過して基板２側に逃げてしまう光もある。光反射体６は、裏面テクスチャ構造で全反射されなかった光を基板２側に逃がさないように反射し、再度光吸収媒質３に戻す働きをする。
[効果の説明]
本実施形態の薄膜半導体光センサは、光トラップ効果によるマルチパス光吸収増強とモスアイ効果による半導体表面反射防止を単一のテクスチャ構造を光入射面に施すことによって所望の波長域において両立させ、信頼性や生産性の問題を起こさずにその潜在的性能を十分に発揮できる。この目論見がどのようにして実現可能であるかを以下に図面を併用しながら詳細に説明する。
【００２８】
最初に光トラップ効果によるマルチパス光吸収増強について説明する。外部環境である空気よりも高屈折率である光学的に薄い媒質内部において、全反射を有効に利用して効率よく光をトラップできることが古くから知られている。フレネルの式で示されるように、媒質内部の全反射は大きな入射角度（界面に対して浅い角度）の光に対してのみ起こりうる。これ以外の光は内部界面で屈折して空気中に透過放射される。空気中から媒質中に入射する光モードとこの逆過程である媒質中から空気中に放射される光モードは１対１に対応する。これを透過モードと呼ぶことにすると、平坦な界面では透過モードは媒質の内部界面において全反射が起きる全反射モードとは全く結合しない。このため、平坦な界面を持つ薄膜吸収媒質に空気中から光を入射すると高々往復のダブルパス光吸収しか起こらない。
【００２９】
マルチパス光吸収のウィンドウをオープンするためには、透過モードを全反射モードに結合する手段が必要である。界面のテクスチャ化は有効な結合手段のひとつであり、古くから太陽電池において長波長域の光のマルチパス光吸収を増強する手段として知られている。テクスチャ化された界面における光の散乱反射が半球面上に等方的に起こるならば、テクスチャ面で全反射された光が次のテクスチャ面で全反射されずに空気中に透過する確率は1/n2に減少する。その結果、テクスチャ面でかこまれた光学的に十分薄い屈折率nの一様媒質中で光は媒質中にトラップされ平均n2回の界面全反射を経てから空気中に放出される。空気中に放出されるまでのパス長がn2倍される結果、媒質中の光強度はn2倍増強され、媒質の吸収効率は向上する。吸収増強がマルチパス光吸収によって生じるため、大部分の光がシングルパスで吸収されるような光学的に厚い媒質中では光トラップは起こらないし利用する必要も無い。
【００３０】
光トラップによる吸収増強のためには、以下の２つの条件が必要である。(1)媒質が高屈折率かつ光学的に薄いこと、(2)透過モードと全反射モードを有効に結合させるためにテクスチャ化された界面で光の散乱反射が半球面上に等方的に起こる事。条件(2)を満たすためにテクスチャ面は面方向がランダムとなる構造を持ち、かつテクスチャ構造の個々の面における光反射が個々の面方位に依存する必要から、その構造スケールは入射光の波長オーダーよりも大きいことが必要である。
【００３１】
次にモスアイ効果による表面反射防止について説明する。入射光の波長オーダーよりも小さなスケールで変化する構造をもつテクスチャ面では、屈折率nを持つ媒質界面における空気→媒質の垂直反射率が((n-1)/(n+1))2から理想的には０に減少するモスアイ効果が知られている。これは波長オーダーより小さい構造スケールを持つテクスチャ構造では、回折効果により入射光に対する作用は個々のテクスチャ面の面方位に依存せず、実効的屈折率が1からnに徐々に変化する一種の屈折率マッチング層として機能するためである。モスアイ効果は媒質の光学的厚みに関係なく界面屈折率の急激な変化を緩衝する屈折率マッチング層として機能するが、透過モードと全反射モードの結合には一切寄与しない。反射率が低減すれば吸収層に到達する光量が増加するので、吸収増強が起こる。モスアイ効果は蛾の目が光を反射しないことの理由として良く知られた効果であり、液晶デバイス表面の反射防止などにも利用されている。
【００３２】
以上より、光吸収増強の観点ではテクスチャの構造スケールが光波長より大きくかつ光学的に薄い媒質では光トラップ効果によるマルチパス光吸収増強が、小さい場合には媒質の光学的厚みに関係なくモスアイ効果による入射面反射防止が重要になる。別の言い方をすれば、単一の構造スケールを持つランダムなテクスチャ面では、その構造スケールよりも短波長の光については光トラップ効果が、長波長の光についてはモスアイ効果が重要になる。これらの状況は明らかに排他的であるから、単一のテクスチャ構造では吸収増強の目的で光トラップとモスアイ効果を同時に享受することはできないと考えられてきた。
【００３３】
特にシリコン太陽電池の場合エネルギー獲得が目的であるため、近赤外から紫外域に渡る広い波長領域の光について光電変換効率を高めたい。光学的に薄くなるバンドギャップ（〜１μｍ）より長波長域の光吸収を表面テクスチャ化によって増強するために光トラップ効果が有効となる１μｍより大きい構造スケールのランダムなテクスチャ面が必要で、波長300nm以下の光学的に厚い紫外域の光吸収を表面反射防止によって増強するためにモスアイ効果が有効となる300nmより小さいスケールのテクスチャ構造が必要となる。従って、単一のテクスチャ構造によって広い波長領域に渡るシリコン太陽電池の入射光の吸収を増強することは難しかった。
【００３４】
単一のテクスチャ構造を放棄して、複雑な２重の階層的テクスチャ構造を表面に形成することを受け入れるならば、光トラップとモスアイ効果を同時に享受し、吸収増強によって近赤外から紫外域に渡る広い波長領域の光について高い光電変換効率を持つシリコン太陽電池を実現することができる。特許文献１、非特許文献4には、１μｍより大きい構造スケールのテクスチャ面を形成することによって光トラップ効果によりバンドギャップ（〜１μｍ）より長波長域の光吸収を増強している。さらにそのテクスチャ面上に300nmより小さいスケールのテクスチャ構造を形成することによってモスアイ効果により紫外域の光反射を防止する、２重の階層的ハイブリッドテクスチャ構造を設けることを提案している。しかし生産性や信頼性の点では疑問が残る。
【００３５】
一方、情報獲得が目的である光センサの場合、太陽電池とは事情が異なり特定の狭い波長帯域の光の検出に使われることも多い。この場合、光トラップとモスアイ効果を同時に享受し、吸収増強によって目的の波長帯域の光について高い光電変換効率を持つ薄膜半導体光センサを実現することが可能である。以下図面を参照しながら説明する。
【００３６】
図２は本実施形態の光センサの原理を説明するための第一の模式図である。面方位がランダムである構造を有するテクスチャ面が光入射表面および裏面にある場合について考える。図２は光トラップ効果、モスアイ効果と入射光波長の関係を説明している。横軸dはテクスチャ構造の典型的スケールを表している。光センサの検出目的中心波長をλとすれば高屈折率（n＞1）の媒質内部のその実効的光波長はλ/n(＜λ)となる。表面及び裏面のランダム構造の典型的構造スケールがd＞λ/nであるとすると、媒質内部の界面反射時に光の散乱反射が起こるため、薄膜半導体光センサで用いられる光学的に薄い吸収媒質中では光トラップが起こる。一方、d＜λであるとすると媒質外からの入射光に対してはモスアイ効果が生じる。光学的に薄い媒質の入射テクスチャ面の構造スケールがλ/n＜d＜λである場合、垂直方向近傍から目的中心波長λの光が入射すると、モスアイ効果により反射が低減された入射光はスネルの法則に従ってほぼ膜に垂直方向に伝搬する。伝搬光は裏側テクスチャ面で半球面上に等方的に散乱反射され再度伝搬後表側テクスチャ面で再度半球面上に等方的に散乱反射される。一回の散乱反射の折に光が全反射されずに媒質外部に透過する確率は1/n2である。これにより、観測光は媒質内部にトラップされテクスチャ面で平均n2回の全反射を繰り返してから空気中に放出される。
【００３７】
図３は本実施形態の光センサの原理を説明するための第二の模式図であり、典型的構造スケールdのテクスチャ構造を施した屈折率nの吸収媒質に外部から目的中心波長λの光を入射したときに起こる効果を、λを横軸にとって示した図である。d＜λ＜ndとなる光波長域に対してはモスアイ効果による入射光反射率低減と光トラップによるマルチパス光吸収が両立しうることが示されている。半導体材料についてはその原子充填密度からn〜3.5程度の値となり、従って２つの効果が両立しうる波長帯域幅はΔλ=(n-1)d〜2.5d程度となる。帯域の中心(n+1)d/2を観測目的中心光波長λとマッチさせる(λ=(n+1)d/2)ならば、ΔλはΔλ=2λ(n-1)/(n+1)となる。この値は、n=3.5を仮定するとΔλ〜1.11λと検出目的光の中心波長オーダーの値となる。従ってこの原理をλ＞1μmの赤外域の検出に使うと、ほぼ実用的に十分な帯域の検出対象光に対して光トラップ効果とモスアイ効果を同時に享受し、それぞれによる吸収増強によって高い光電変換効率を持つ薄膜半導体光センサを実現することが可能となる。
【００３８】
本実施形態の光センサでは、以上の原理を利用して単一のテクスチャ構造によって光トラップ効果とモスアイ効果を目的波長帯域の光が同時に享受し、それぞれの効果に基づく吸収増強によって高い光電変換効率を持つ薄膜半導体光センサを実現する。そのために、面方向がランダムなテクスチャ構造（凹凸構造）を光吸収媒質の光入射面や裏面に設け、前記テクスチャ構造の典型的構造スケールdを目的光の中心波長λに応じて(λ/n)<d<λとなるようにする。さらには媒質外部から見た構造スケールdと媒質内部から見た構造スケールndの中点(n+1)d/2を目的検出光の中心波長λと一致させる、つまりλ=(n+1)d/2とする。λ=1μm、n=3.5とすると、(λ/n)<d<λは0.28μm<d<1μmである。λとdがλ=(n+1)d/2を満たすとするとd=0.44μmとなる。
【００３９】
なお特許文献４において、結晶シリコンの受光面側に設けたテクスチャ構造を構成する突起部の底辺の長さLを700nm≦L≦2μmとしている。これは形式的には0.28μm<d<1μmと、0.7μm〜1μmで重なる。しかし特許文献４のテクスチャ構造は、その図２〜図５から明らかなようにランダムではなく、同形状の正四角錐形状の突起が一定のピッチで一面に並んでいる。また光吸収媒質である結晶シリコンが厚い。そのため上述した、光トラップによる吸収増強のための２つの条件(1)、(2)が成立しない。その結果特許文献４は本実施形態のような効果は生じない。
［製造方法の説明］
本実施形態による薄膜半導体光センサの製造工程の一例を、以下に図を参照しながら説明する。図４（ａ）〜（ｅ）は本実施形態の薄膜半導体光センサの製造工程を示す工程図である。ここでは、光吸収媒質３としてGaAs半導体層中に形成されたInAs量子ドット吸収層３１を利用した例について製造工程の一例を述べる。本製造工程は、本薄膜半導体光センサ素子の主要構成要素の製造工程の一例を示したに過ぎず、実際の薄膜半導体光センサ素子は、他のデバイス構造構成要因等により本実施形態に記載の効果を発現する範囲で変更しても構わない。
【００４０】
まず、GaAs基板２を用意し、成長装置へと導入する。本工程では、分子線エピタキシ装置を使用した。成長装置は薄膜構造を作製可能であれば、他の装置、例えば、有機金属熱分解成膜装置でも構わない。Asを照射しながら基板温度を６００℃程度まで昇温させる等の通常の基板表面の清浄化処理により、基板表面の自然酸化膜を除去する。その後InAs量子ドット吸収層３１を含む光吸収媒質３を成長する。具体的には、As雰囲気下において５８０℃にてGaを照射することによりGaAs層を数μｍ程度成長した後、Inを２〜３分子層（ML: Molecular Layer）相当分基板温度４８０℃にて供給してInAs量子ドット層を成長した。
【００４１】
供給されたInAsは、GaAsとInAsとの間に約7.2％の格子定数差が存在しているために、平坦な薄膜状に成長することはなく、３次元島状に成長する。（これをStranski Krastanov (SK)モード成長と言う。）この３次元島構造を厚さ50nm程度のGaAsで埋め込み成長することにより、InAs量子ドット吸収層３１を含む光吸収媒質３を形成する。実際の成長ではこの工程を１０回繰り返し、１０層のInAs量子ドットから成る量子ドット吸収層３１を作製した。
【００４２】
そしてさらに連続して厚さ数μｍ程度のGaAsを再び成長して光吸収媒質３の成長を終了し、図４（ａ）に示す様な薄膜半導体光センサ用のウエハを得た。
【００４３】
次に、GaAs光吸収媒質３の成長終了表面上に光入射面テクスチャ構造４を形成する（図４（ｂ））。本実施形態の光センサの光吸収媒質の光入射面のテクスチャ構造４は、成長後の光吸収層の平坦な表面上にランダムな構造のマスクパターンを形成し、フォトリソグラフィの手法を用いて、ケミカルエッチング法により作製した。
【００４４】
エッチング方法を図５に示す。ランダムパターンのマスクとして、例えば、図５（ａ）に平面図を示す様なものを用意する。グレー部分がランダムな開口である。代表的な大小２つの開口についての断面図を図（ｂ）に示す。光吸収媒質３が形成された基板２を、等方的なエッチングが進行するエッチャントに適当な時間浸す。適当な時間とは、パターン同士が一体化しない範囲で、作製したいランダムパターンの大きさ、間隔等により決定される時間である。このようにすると、小さな開口部は小さな穴に、大きな開口部はより大きな穴にエッチングされ、その結果、図５（ｃ）に断面図を示す様な形状のランダム構造が形成される。図５（ｃ）の例は基板内部への浸潤速度＞マスク下（端部）のサイドエッチングの速度の場合を示している。この例では、等方性エッチャント（例えば少量のＢｒをメタノールに溶解させた溶液）を使用した。しかしマスクパターンを四角形（多角形でも可）のランダムな開口として、異方性エッチャント（例えば、アンモニア水：過酸化水素水の混合溶液）を使用してエッチングを行えば、図５（ｄ）に断面図を示す様な、逆ピラミッド状の穴で構成されるランダム構造が形成される。
【００４５】
本実施形態の薄膜半導体光センサは、受光波長が数μｍ程度の赤外線センサを想定しているので構造パラメータが大きく、本製造方法で充分であった。しかし波長が短い場合や、より微細な構造が必要な場合は、電子ビーム露光法、収束イオンビームエッチング法、ナノインプリント法等で行っても良い。
【００４６】
またより簡便な方法として、マスクパターンを形成する際に、レーザ光線による直接描画法等の他の手法によってパターニングする方法もある。さらに、光吸収媒質３の表面近傍にイオンを打ち込み、実効的に屈折率を変化させてランダムなテクスチャ構造を作製する手法も適用可能である。
【００４７】
次に図４（ｃ）に示す様に、薄膜半導体光センサの受光面直下のGaAs半導体基板２を部分的に除去する。具体的には、GaAs半導体基板２の裏面にフォトリソグラフィの手法を利用して、受光面よりやや大きい開口を作製し、ケミカルエッチングにより、開口領域のGaAsを除去し、開口構造１０を作製する。本実施形態では、基板材料がGaAsであるので、アンモニアと過酸化水素水の混合溶液を使用した。前述の製造工程には記述しなかったが、実際の工程では、基板２と光吸収媒質３との間に10nm程度の薄いAlGaAs層が挿入してある。この混合溶液は、GaAsをエッチングするが、AlGaAsをほとんどエッチングしないという特性があるので、基板２のGaAs層のエッチングはこのAlGaAs薄膜層で停止する。開口部に露出したAlGaAs薄膜層は希塩酸により、GaAs層を浸食することなく容易に除去できる。その結果、図４（ｃ）に示す様な開口構造１０が作製できる。
【００４８】
次に、開口部に露出したGaAsから成る光吸収媒質３の表面に、裏面テクスチャ構造５を形成する。裏面テクスチャ構造５は、光入射面テクスチャ構造と同様の手法で形成できる。つまりフォトリソグラフィ法、電子ビーム露光法、収束イオンビームエッチング法、ナノインプリント法、レーザ光線による直接描画法等いずれの手法でも作製可能である。本実施形態では、プロセスの簡便性の観点から、レーザ光線による直接描画法によりランダムなマスクパターンを形成し、ケミカルエッチング法により凸凹構造の形成をおこない、図４（ｄ）に示す様な構造を作製した。なおこのケミカルエッチング時には、既に形成した光入射面側のテクスチャ構造上に、レジスト等の保護膜（不図示）を形成しておくとよい。また光入射面テクスチャ構造４と裏面テクスチャ構造５で同一のランダムパターンのマスクを用いる必要はなく、ランダムなパターンのマスクであればよい。また光入射面テクスチャ構造４の形成では等方性エッチングを用い、裏面テクスチャ構造５の形成では異方性エッチングを用いることも可能である。
【００４９】
最後に、薄膜半導体光センサの上部電極７および下部電極８を作製する。上部電極７は、光入射面テクスチャ構造４の上に電極金属が形成されないようにレジストで保護し、全面に電極金属を真空蒸着した後、リフトオフ法により、レジストを除去し、図４（ｅ）に示した様に光入射面テクスチャ構造４以外の領域に上部電極７を形成した。下部電極８、および、光反射体６は裏面から電極金属を蒸着することにより、一括で形成した。つまり、基板２の裏面に垂直な方向から金属を蒸着する。それにより、基板２の裏面、および、裏面テクスチャ構造５の表面に金属が一度に堆積されることとなり、基板２の裏面に堆積した金属は下部電極８として機能し、裏面テクスチャ構造５の表面に堆積した金属は光反射体６として機能する。これらの工程を終了後、薄膜半導体光センサ用のウエハは素子毎に分離され、薄膜半導体光センサ素子が完成する。
【００５０】
尚、本製造工程では、裏面テクスチャ構造５を、開口構造１０の形成後に光吸収媒質３の露出した裏面に作製した。これは、裏面テクスチャ構造を光吸収媒質３から離れた位置に配置すると、テクスチャ面で全反射した光のうち積層面方向に沿って伝搬する光がＰＮ接合領域から逸脱して、光電流に寄与しなくなる可能性が増大するためである。基板２の研磨を十分に行って基板を薄くすること、あるいは、光反射体をデバイス側面に配置することが可能であれば、裏面テクスチャ構造５を光吸収媒質３ではなく基板２の表面に形成することができる。下部電極８も上部電極７と同様の手法で作製する。これにより製造工程が簡便化できる。
【００５１】
上下２つのランダムテクスチャ構造の間で反射を繰り返した結果、デバイス側面に逃げる光があるが、光反射体をデバイス側面に配置すると、その光を反射させて、２つのランダムテクスチャ構造の間に戻すことができる。なお光反射体は裏面だけまたは側面だけでもよいし、両方形成してもよい。
【００５２】
また上述の実施形態では量子ドット材料としてInAsを用い、それを埋め込む材料としてGaAsを用いた。それ以外の量子ドット材料/埋め込み材料としては、例えば、InGaAs/GaAs、InAlAs/(Al)GaAs、InP/InGaP、InAs/InP等が代表的である。本実施形態ではランダムな面方位を持つテクスチャ構造を表裏面に持つ吸収媒質を製造することが可能であり、信頼性や生産性の問題なしに、その潜在的性能を十分に発揮できる薄膜半導体光センサを提供することができた。
（第２の実施形態）
図６は本発明の第２の実施形態の光センサを説明する断面図である。
【００５３】
本実施形態の光センサ１００は、厚さが光浸透長よりも十分に薄く屈折率nの光吸収媒質３００を有する。光吸収媒質３００は光入射面テクスチャ構造４０を有し、このテクスチャ構造の典型的構造スケールdは、観測目的中心波長をλとすると(λ/n)<d<λであり、面方向がランダムである。さらに本実施形態では光吸収媒質３００と基板２０の間に光反射体６０を設けている。光反射体６０は高反射率であることが望ましい。
【００５４】
本実施形態の場合も第１の実施形態と同じく、垂直方向近傍から目的中心波長λの光が入射する（入射光９０）と、モスアイ効果により入射面での反射が低減される。光入射面（空気と光吸媒質３００との界面）では、空気側から入射した光についてはモスアイ効果が得られ、光吸媒質３００側から（裏面反射などを経て）入射した光については光トラップ効果が得られる。
【００５５】
モスアイ効果は前述のようにグレーデッドインデックス効果を微細構造によって得るものであり、空気側からの光入射時に機能する。光反射体６０が平坦だとすると、入射した光は、最初の反射ではほぼ入射角０°の光となって光入射面に内部入射する。光入射面では光吸媒質３００内部からの光は全反射角より大きな入射角を持つ光に対しては反射するが、それより小さい入射角を持つ光は透過する。しかしこの透過する光入射角の割合は例えば８％程度と小さいものであり、面方位がランダムであれば（たとえ光の入射角が一定であっても）９２％は（伝搬方向がランダム化され）全反射して光吸媒質３００内部に戻る。伝搬方向がランダム化された光は以降光入射面と裏面の間で反射を繰り返す。光入射面では１回の反射あたり８％の光がデバイス外に漏れるが、平均２０回程度の反射が起こると計算される。そのため吸収長を２０倍程度稼げる（光トラップ効果）。第１の実施形態のように裏面にもテクスチャ構造を有する場合の方がトラップ効率は高い（吸収長をより稼げる）が、本実施形態でも十分に光トラップ効果とモスアイ効果の両方を享受することができる。
【００５６】
なお図６の光センサは、図４から（ｃ）、（ｄ）を除いた工程で作製すればよい。
【００５７】
以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。
【００５８】
この出願は、２０１６年９月２７日に出願された日本出願特願２０１６−１８８１２３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００５９】
１、１００    光センサ
２、２０    基板
３、３００    光吸収媒質
４、４０    光入射面テクスチャ構造
５    裏面テクスチャ構造
６、６０    光反射体
７    上部電極
８    下部電極
９、９０    入射光
１０    開口構造
３１    量子ドット吸収層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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